EXTRACELULÁRNÍ MATRIX
Extracelulární matrix (mimobuněčná základní hmota)
Patobiochemie a molekulová patologie J. MASOPUST Ústav klinické biochemie a patobiochemie 2. Lékařská fakulta Univerzity Karlovy v Praze
obklopuje buňky pojivové tkáně (Je jimi produkována, objemem je přesahuje) Zvláštní formou extracelulární matrix je lamina basalis ležící pod epiteliemi
Základní funkce EM * podpůrná (udržuje trojrozměrný tvar při morfogenezi a hojení ran)
* obranná (fyzická bariéra proti mikroorganismům, účast při zánětu, hojení defektů ) * dynamické prostředí pro organizaci a diferenciaci buněk - výměna látek (živiny, produkty metabolismu, elektrolyty, voda)
Hlavní složky EM * proteinová vlákna
Buňky: - fixní
* amorfní hmota
- volné
* tkáňová tekutina
- propojení buněk v tkáních (interakce buňka-matrix)
- výměna informací (detekce, koordinace, tvorba chemických signálů)
A. Intersticium (produkované mesenchym. buňkami) B. Bazální membrány(produkovaná epiteliemi a endotelovými buňkami)
1
(a) Buňky fixní
(b) Buňky volné (bloudivé)
nediferencovaná mezenchymová buňka
(vyskytují se zde pouze po přechodnou část svého životního cyklu) Prekurzorem je hemopoetická kmenová buňka kostní dřeně: hemocytoblast
* fibroblasty, fibrocyty * myofibroblasty, buňky retikulové * adipocyty * chondroblasty, chondrocyty * osteoblasty, osteocyty
* monocyto/makrofágový systém (cytokiny) * mastocyty (histamin) * plasmatické buňky (protilátky)
Prekurzorem fixních buněk je
Extracelulární matrix je složitá směs glykoproteinů a proteoglykanů, přispívající k vazbě buněk na vláknité složky vaziva Mediátory sekrečních granul Histamin, proteoglykany tryptasy, chymasy, karboxypeptidasa B
Reakce leukocytů * adherence * chemotaxe * produkce IgE * proliferace mastocytů * aktivace eosinofilů
Cytokiny
Lipidové mediátory
IL-3, 4, 5, 6 GM-CF, IL-1 INFγ, TNFα
LTB4,LTC4, PAF, PGD2
Lamina basalis poskytuje podklad pro navázání epitélií na pojivovou tkáň
Reakce fibroblastů Odpověď matrix Mikrovaskulární reakce * proliferace * aktivace * permeabilita venul * vakuolizace metalo* produkce kolagenu proteinas * adherence leukocytů * konstrikce * aktivace * produkce globo* dilatace koagulační pentaosylceramidu kaskády
2
EM- 3 hlavní typy makromolekul: * Glykosaminoglykany, proteoglykany (tvoří gelovou strukturu pojiva)
* Fibrózní proteiny - kolagen - poskytuje pevnost - elastin - poskytuje pružnost * Multiadhezní molekuly a glykoproteiny - fibronektin, vitronektin,nebulin, tenascin, fibromodulin, laminin,entaktin (nidogen), ... (pro přímé spojení buněk s makromolekulami EM)
Různé typy glykosaminoglykanů
GAG (glykosaminoglykany) Dlouhé nevětvené polysacharidy s opakujícími se disacharidy a s jedním ze 2 aminocukrů (N-acetylglukosamin, N-acetylgalaktosamin + terminální sulfát nebo karboxyl)
Silný negativní náboj přitahuje Na+
atrahuje vodu - hydratovaný gel
turgor působící proti stlačení tkáně
PROTEOGLYKANY Struktura: proteinové jádro + glykosaminoglykany
• chondroitin-4-sulfát • chondroitin-6-sulfát • dermatansulfát • heparansulfát • keratansulfát
(keratansulfát, chondroitinsulfát ...) Mají schopnost agregovat do supramolekulových útvarů Vyplňují prostory mezi buňkami a kolagenními vlákny Jsou vysoce hydrofilní, náboji přitahují vodu, boptnají
Typy: (a) velké – AGREKANY (90% proteoglykanů chrupavky) (b) malé – BIGLYKAN, DEKORIN (s dermatansulfátem) FIBROMODULIN (spojení s kolagen. vlákny) Proteoglykany jsou hlavní složkou EM hyalinní kloubní chrupavky: zajišťují (a) hladký posun plošek s nízkým koeficientem tření, (b) pružný přenos zátěže na pohybový aparát
3
Hyaluronan
Typy a lokalizace proteoglykanů Extracelulární matrix
Povrch buněk
Bazální membrána Mozek
Intracelulárně
Aggrekan Versikan Dekorin Biglykan Fibromodulin Syndekan Betaglykan CD44 Glypikan Fibroglykan Perlekan Brevikan Neurokan Cerebroglykan Serglycin
ChS/KS (100+) ChS/DS (20) ChS n. DS (1) ChS n. DS (2) KS (4) HS/ChS (4) HS/ChS (2) HS n. ChS HS HS HS (3) ChS/DS (3) ChS (7) HS (5) ChS n. HS (8)
je velice dlouhý negativně nabitý polysacharid -vytváří hydratovaný gel -hlavní složka EM -obklopuje migrující a proliferující buňky -hlavní složka komplexů proteoglykanů (lubrikace - zvláště v chrupavce kloubní)
-inhibuje adhezi buňky k buňce (podporuje migraci buněk) Každá molekula má více než 50 000 opakujících se disacharidových zbytků (glukuronová kyselina+N-acetyl-
glukosamin)
Kolagen proteoglykan Glykosaminoglykany
Hlavní nerozpustný protein EM (25% bílkovin organismu); vytváří trojpramennou šroubovici (buď homotrimér nebo heterotrimér) Každá 3. aminokyselina je glycin
Často opakující se sekvence: Gly-X-Y
(primordiální j.)
(X=často prolin, Y=hydroxyprolin)
Glycin pomáhá držet α-řetězce pohromadě (stabilizace)
hyaluronan
Je známo nejméně 19 typů kolagenů (typ I – XIX) Typ I v kostech (odolává enormním silám: vlákna g/g odolnější než ocelová) Vytváření příčných vazeb: propojení hydroxylysinů kovalentní „cross-link“ vazbou
4
FIBROBLAST (polarita)
Elastin Čelní strana Vedoucí konec
Zona polymerizace aktinu
Ocas
profilin
Hydrofobní protein (750 amino), zodpovědný za extenzibilitu a elastické vlastnosti tkání (kůže, plíce, cévy) Zákadní struktura - tropoelastin (agregace pomocí příčněvazebného desmosinu) Elastinová vlákna jsou pokryta mikrofibrilami z různých glykoproteinů: fibrilin (mutace
Marfanův sy.)
FIBRILIN stav klidu (relaxace)
jednotlivá molekula elastinu
stav maximální extenze
glykoprotein, 350 kDa, hlavní složka elastinových mikrofibril (cévy, závěsný aparát oční čočky) Mutace genu FBN1 a FBN2: předčasné ukončení translace nebo záměna aminokyseliny v „like doméně“ epidermal growth factor - váže Ca na fibrilin (změna konformace)
* Marfanův syndrom (ectopia lentis, dolichostenomelia, arachnodactilia)
5
FIBRONEKTIN multifunkční glykoprotein, 400 Da, dimer spojený disulfidovou vazbou Váže se na jiné složky EM (kolagen, heparin, fibrin, proteoglykany) (specifická sekvence aminokyselin: Arg-Gly-Asn =RGD) a buňky (via: integriny)
Fibrin Heparan sulfát
Kolagen
DNA
Integrin Heparan Fibrin sulfát
H2N-
-COOH EDB
EDA
IIICS S S SS
COOH
Účastní se přímo adheze, migrace a průniku buněk (zánět, nádorová generalizace)
Extracelulární matrix a regulace buňky
DNA
Komponenty ECM mají vliv na buněčný fenotyp prostřednictvím receptorů matrix Adhezní molekuly (nadrodina integrinů, periferní
aktin
membránové glykoproteiny, glykosyltransferasy, proteoglykany) zprostředkují transdukci signálu
α−aktinin
Integriny jsou α/β heterodimery spojující ECM s cytoskeletem (rozpoznávají RGD sekvenci ligand) Degradační produkty fibronektinu mohou tak navodit genovou expresi kolagenas a stromelysinu při zánětlivé destrukci tkáně Některé bakterie (E.coli) specifickým receptorem adherují k pojivové tkáňi hostitele
vinkulin talin α
β
integrin ECM
6
Patologie GAG
(Mukopolysacharidózy pokrač.)
(Porucha degradace pro deficienci lyzosomálních enzymů - progresivní ukládání GAG v tkáních) Klinika: hrubé rysy, hepatosplenomegalie, kostní dysplazie, deformity rukou, event. mentální postižení
* Mukopolysacharidózy - Choroba Hurlerové (MPS IH): (heparansulfát, α-L-iduronidasa dermatansulfát) - Scheiova choroba (MPS IS): (dermatansulfát) α-L-iduronidasa - Hunterův syndrom (MPS II): (dermatan a heparan-
- Sanfillipo syndromy (MPS IIIA-D): akumulace heparansulfátu III A: sulfamidasa III B: α-N-acetylhexosaminidasa III C: acetyl-CoA:α-glukosaminid-N-acetyltransferasa III D: N-acetylglukosamin-6-sulfatasa
sulfát)
iduronosulfát-sulfatasa
(mukopolysacharidózy - pokrač.)
CHRUPAVKA
(
- Morquio-syndrom (MPS IV): keratansulfát,chondroitinsulfát typ A: N-acetylgalaktosamin-6-sulfatasa typ B: β-gangliosidasa - Maroteau-Lamy choroba (MPS VI): dermatansulfát
arylsulfatasa B - Deficience β-glukuronidasy (MPS VII):chondroitin4/6-sulfát
β-D-glukuronidasa - Keratan a heparan-sulfaturia (MPS VIII)
Možnost terapie: substituce enzymů transplantací kostní dřeně (zatím u Hurlerovy nebo Hunterovy choroby)
Obsahuje pouze 5% CHONDROCYTˇU; komunikace mezi nimi pouze prostřednictvím EM (výživa, odstraňování metabolitů difuzí přes EM)-KOLAGEN II + proteoglykany
* OSTEOARTRITIDA (nesprávně OSTEOARTRÓZA) - Infiltrace synovie zánětlivými buňkami - Degradace chrupavky působením metaloproteinasy 3 (stromelysin), štěpící agrekan, biglykan, dekorin, kolagen typ VI, IX, XI (iniciace: IL-1, TNFα, též NO; proti TGFβ, IGF-1) - Změny v syntéze makromolekul (jiné kolageny, nestab) - Změny genetické exprese fenotypu chondrocytu tvorba kolagenu embryonálního typu II-α místo typu II a dále typ X - Zvýšení apoptózy chondrocytů
7
Nové směry v terapii osteoartritidy Destrukci kloubní chrupavky způsobuje nerovnováha mezi anabolickými a katabolickými pochody ECM chrupavky je degradována metaloproteinasami
- inhibice MMP, jejich aktivátorů a cytokinů (aktivujících geny pro odbourávání ECM) - podpora syntézy ECM chrupavky (tkáňové inženýrství pomocí transplantace chondroprogenitorových buněk) - indukce synoviální apoptózy přenos p53)
* Revmatoidní artritida autoimunitní onemocnění postihující primárně klouby - dramatické ztluštění a hyperplazie povrchové vrstvy synovie (overexprese p53 a ztráta kontroly apoptózy pro adenovirovou infekce buněk synovie) - agresivní invaze synoviálních fibroblastů destruujících matrix kloubní chrupavky a kosti Uplatňují se dále: - molekuly regulující apoptózu (CD 95, RAS, MYC) - prozánětlivé cytokiny (IL-1, TNFα) (možnost terapie: antagonista receptoru IL-1, rekombin. rozp. TNFα-recept.: ETANERCEPT a monokl. protilátka
proti TNFα: REMICADE
REGULACE METALOPROTEINAS STIMULACE PDGF EGF IL-1/TNF
AKTIVACE
INHIBICE TGF-β steroidy
Buňka
prokolagenasy stromelysiny
aktivátory plasminogenu
plasmin
plasminogen
kolagenasy, stromelysiny
extracel. matrix
degradovaná ECM
inhibice tkáňový inhibitor metaloproteinas
Poznámka:
Nevýhodou nesteroidních analgetik a antiflogistik – inhibitorů cyklooxygenasy (COX) /klíčový enzym syntézy prostaglandinů/ jsou vedlejší účinky: • GASTRODUODENÁLNÍ (ulcerace, krvácení) • RENÁLNÍ (nefrotoxicita) • KARDIOVASKULÁRNÍ (hypertenze) Jsou 2 isoformy COX: -inhibitory COX-1 (mají nežádoucí účinky) -Inhibitory COX-2 (nemají vedlejší gastroduodenální úč.)
Celecoxib (Celebrex) léčení osteoartritidy, rev. artritidy
Rofecoxib (Vioxx) léčení osteoartritidy a bolesti všeobecně; ALE více nežádoucích účinků renálních a kardiovask. (Oba léky ve zkoušení)
8
* ACHONDROPLAZIE
PATOLOGIE KOLAGENU
Mutace v genu pro receptor fibroblastového růstového faktoru a genů pro embryonální uspořádání kostního systému (Home Box Genes)
* nedostatečná nebo abnormální syntéza - Ehlersův-Danlosův syndrom - osteogenesis imperfecta (gen COL1A1 a 2 abnormální pro-α1-řetězec pro-kolagen „sebevražda; perzistence N-propeptidu; substituce za Gly )
- skorbut (vitamin C - kofaktor prolinhydroxylasy) * poruchy z akumulace - progresívní systémová skleróza (nahromadění kolagenu a fibróza orgánů)
- keloidy (místní zduření pro nahromadění kolagenu v jizvách)
D ědičnost
Podtyp
I - postnatální A D fraktury, m odré skléry II - perinatální V ětšinou AR , n ěkdy letální A D (n ové m utace?)
III progresivní deform ující
A D (75% ) A R (25% )
IV postnatální fraktury, norm ální skléry
AD
D efekt kolagenu S nížená s yntéza pro-α 1 (1)-řetězce A bn orm ity pro α 1 (1)neb o p ro-α 2 (1)řetěz ce K rátk ý p ro-α 1 (1)řetěz ec N estabilní triplhelix A bn orm áln í n. insuficientní proα 2 (1)-řetěz ec Zm ěněn á struktura propep tidu proα 2 (1)P orucha tvorb y tro jitého helixu
K rátk ý p ro-α 2(1)řetěz ec N estabilní trojitý helix
H lavní přízn aky Slučitelný se životem N orm ální kostra Fragilita kostí Šp atný v ývo j dentice P oruchy sluchu P ohyb livost kloub ů M odré skléry S mrt už v děloze n. kole m porodu D eform ity skeletu E xcesivn í fragilita M nohočetné fra ktury M odré skléry
Hyperelastická kůže
Slučitelný se životem R etardace růstu M nohočetné fra ktury P rogresivní kyfosko lió za M odré skléry při naro zení (pak bělají) P oruchy sluchu P oruchy dentice K o mp atibilní se živote m M írná fragilita skele tu K rátká postava N ěkdy poruch y dentice
9
Infekce, zánět
(patologie kolagenu - pokračování)
Kalcitropní stimuly
* alterace konformace kolagenu typ IV /gen pro α2(IV), α4(IV), α5(IV), α6(IV)/ (kolagen bazální membrány) - Alportův syndrom (hematurie)
Prekurzor osteoklastů
Přežívání, Produkce cytokinů
LPS IL-1 TNF
TRANCE TRANCE-R
T-buňka
* dysbalance remodelace kostní tkáně - osteoporóza - osteomalcie - rachitis - osteopetróza - Pagetova choroba
OPG
Osteoklast
Dendrit. buňka
Aktivace Maturace
Akt.osteokl.
Zpracování antigenu
Resorpce kosti
HOJENÍ RAN (reparace defektů tkání) FIBROPLAZIE (náhrada pojivovou tkání) Podílí se na ní: * migrace buněk * proliferace a diferenciace * interakce s extracelulární matrix Průběh: angiogeneze - migrace a proliferace fibroblastů - ukládání EM - maturace a organizace fibrózní tkáně (remodelace) Tvorba granulomů Fibrotizace Regenerace epitelií z vrstvy na lamina basalis
ZÁNĚT
Hromadění kolagenu Remodelace
Granulace
Jizva
Kontrakce rány
0,1 0,3 1
3
10
30
100
dny
10
PATOLOGIE HOJENÍ RAN - dehiscence rány - keloid
MECHANISMUS FIBROPLAZIE hojení rány
proliferace buněk interakce
buňka-buňka
- vystupující granulace
interakce buňka-matrix
depozity extracelulární matrix stejně jako u fibrózy orgánů
- agresivní fibromatóza (desmoidy)
* fibróza (cirhóza) jater markery: S-hyaluronová k., S-laminin, vitronektin (aktivace), tenascin (inhibice)
•difuzní plicní intersticiální fibróza asbestóza (aktivace makrofágů: cytokiny, PDGF, IGF-1, fibronektin); sarkoidóza (nedegradovaný antigen: CD4+, IL-2-receptor); idiopatická
plicní fibróza (fibrotiz. alveolitis)
* fibróza po nekrotizující pankreatitidě * Goodpastureův syndrom (proliferační progredující glomerulonefritida + nekrotizující hemorhagická intersticiální pneumonitis) - protilátky (antigen bazální membr.)
NEUROGLIE Obdoba buněk pojiva v nervstvu Funkce: podpůrná, odděluje neurony (odstraňuje šum), vytváří myelin, nutriční, fagocytová, účastní se reparace nervové tkáně (gliová jizva) Neuroglie netvoří akční potenciál ani synapse MOZEK: makroglie (astrocyty, oligodendrocyty) mikroglie , ependymové buňky Perif.NERVY: buňky Schwannovy, buňky satelitní
11
astrocyt
Těsný spoj
N-kadherin
Ca2+
astrocyty
Lumen kapiláry
Integrin
Extracelulární matrix
Laminin extracelulární matrix
Endotelová buňka
Schwannovy buňky
Výběžky astrocytů
(770 aminokyselin)(17 a,k.-sign.peptid)
Proteinový prekursor β-amyloidu α-sekretasa β-sekretasa
Mechanismus poškození neuronů u Alzheimerovy choroby aktiv. mikroglie SR-RAGE
sAPPα
sAPPβ
+
+
C83
C99
γ−sekretasa
Aβ 1−40
Aβ1−42
Alzheimerova choroba
mikroglie/ makrofág (v klidu)
TNF TGF bFGF cytokin
astrocyt GluTrans
Glutamát (exotoxicita)
NO fibrilární VKR Aβ
apoptóza
zaniklá buňka
nervová buňka
12
* SCLEROSIS MULTIPLEX
SCLEROSIS MULTIPLEX (pokračování)
Diseminovaná ztráta myelinového obalu obalující axony nervových buněk (demyelinizační choroba navozená autoimunitním procesem porucha vedení akčního potenciálu)
U aktivní SM: astrocytóza a zvýšení CNS-lektikanů
Myelin je produkován: - oligodendrocyty v mozku - Schwannovými buňkami v periferním nervstvu Abnormální extracel.matrix v CNS se podílí na
+ dermatansulfát-proteoglykan
VERSIKAN
AGGREKAN
NEUROKAN
Ubývá jich v ECM a hromadí se v makrofázích spolu s degradovaným myelinem
přenosu signálu: migrace leukocytů, aktivace imunitní reakce, ale též na remyelinizaci a regeneraci axonu Versikan = proteoglykan ECM bílé hmoty inhibující růst neuritů a axonů
Autoimunitní onemocnění kolagenu * revmatoidní artritida * lupus erythematosus * skleroderma * polymyositis
„ Bez kolagenu (pojiva) by byl člověk pouhou hromadou různých buněk, propojených několika neurony“
* vasculitis * Sjögrenův syndrom ** amyloidózy …………...
13
